JP2509223B2 - サイクロトロン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、イオン照射を含む研究およびその他の目的
のために要求される高エネルギーレベルで電離粒子を発
生するように、軸線方向の磁界に垂直なほぼらせん状の
経路に沿って電離粒子ビームを加速する装置であるサイ
クロトロンに関するものである。

（従来の技術） サイクロトロンにおいては、逆極性の電圧が印加され
ている一対の電極間を電離された粒子のビームが通る。
電離粒子が一対の電極の差電圧の間を通って遷移するた
びに粒子はエネルギーを得る。電極に印加される電圧は
高周波数の交流電圧であって、電離粒子の遷移と同期す
る周波数で印加される。軸線方向磁界に垂直なほぼ円形
の経路に沿って電流粒子を移動させることにより、少数
の電極対を通って粒子に数多くの遷移を行わせて、多遷
移ごとに加速し、半径を大きくさせることができる。

（発明が解決しようとする問題点） 従来のサイクロトロンには、イオン粒子の質量を増大
させてそれらの粒子を遅く動かし、電極に印加されてい
る高周波数励磁との周期を失わせるという相対論的効果
によってひき起される問題がある。

粒子は所要の速さまでバックアップでき、したがっ
て、半径が大きくなるにつれて磁界を強くすることによ
り、高周波数励磁に対する粒子の周期を保つことができ
る。したがって、この磁界は等時性磁界の形を持つとい
われる。しかし、この磁界の形は電離粒子ビームの集束
を失わせるから、粒子を再び集束させるために方位方向
の変化すなわち「フラッタ」が磁界中に含ませられる。

サイクロトロンは極磁性体のヨーク内に納められた抵
抗性磁石コイルを用いて製作されるのが普通であるが、
それらの磁石の体積と重量のために、サイクロトロンは
大規模な建屋内に収容する用途に制限される。また抵抗
性コイルに供給される電力量のために電源はかなり大容
量のものを必要とする。

超電導磁石を用いるサイクロトロンが提案されている
が、それらは強磁性体のヨークを用いているから、体積
および重量はかなりのものとなる。

（問題点を解決するための手段） 本発明は鉄ヨークを有しない超電導磁石を用いるサイ
クロトロンを提供するものである。半径方向における希
望の等時性磁界の変動および方位方向の磁界の希望の変
動がこのサイクロトロンで達成される。

本発明に従って、少なくとも１個の円筒形磁石コイル
を有する超電導磁石を備え、この磁石コイルはその磁石
の軸線方向に延びる磁界を生ずるように低温保持装置の
内部に配置され、その低温保持装置は横断面がほぼ円形
である軸線方向室を形成し、その軸線方向室の中に前記
磁界を含むサイクロトロンにおいて、前記超電磁石（2
9）は前記磁界を発生するヨーク無し磁界発生手段を構
成し、前記軸線方向室（26）内部に相互作用手段（12〜
17）が配置され、それらの相互作用手段は前記磁界と相
互作用して、前記軸（11）に対して方位方向に軸線方向
磁界を「フラッタ」すなわち変動させ、かつ前記軸（1
1）から半径方向に前記軸線方向磁界を等時的に変動さ
せるように構成され、前記軸線方向室（26）の内部には
電離された粒子のビームを加速する電界を発生する共振
空胴手段（30,31）が配置され、前記相互作用手段（12
〜17）と前記共振空胴手段（30,31）は前記軸（11）か
ら半径方向に配置されたイーム空間を一緒に形成し、そ
のビーム空間内では前記電離粒子ビームを加速できるサ
イクロトロンが得られる。

前記相互作用手段（12〜17）は扇形の強磁性体磁極片
を備え、前記共振空胴手段（30,31）は前記磁極片の間
に挿入された扇形部材（32〜37）を備えることが好まし
い。

（実施例） 以下図面を参照して本発明を詳しく説明する。サイク
ロトロンの加速作用が、円板形ビーム空間10の中心部に
連続注入される電離粒子ビームへ与えられる。

軸線方向の磁界がサイクロトロンの中心軸11に平行に
延び（ビーム空間10はこの中心軸11から外側へ放射状に
延びる）、相互作用手段としての軟鉄磁極片12〜17との
相互作用により、ビーム空間の領域内で方位方向もよび
半径方向の変動を受ける。軸線方向の磁界は、１組の超
電導磁石コイル21〜24を有する超電導磁石29によって形
成されるヨーク無し磁界発生手段により発生される。超
電導磁石コイル21〜24は円筒形の低温保持装置25の内部
に納められるから、それらのコイルは超電導のため絶対
零度近くに保たれる。低温保持装置25は中心を軸線方向
にのびる円筒形の室26を形成する。低温保持装置25の構
造の詳細については後で説明する。

室26内で軸11を中心として120度の角度をおいて配置
されている３個の上部磁極片として軟鉄磁極片が設けら
れている。下側の軟鉄磁極15,16,17も室26内部で軸11を
中心として互いに120度の角度を成して配置される。下
側磁極片15は状側磁極片12に軸線方向に整列させられ、
他の上側および下側の磁極片も同様に配置される。それ
らの磁極片の形、配置および磁気的性質は、軸線方向の
磁界の強さを希望通りに変動させるように、構成および
選択される。

第６図および第７図は磁界の方位方向および等時的半
径方向の変動をそれぞれ示す。

第６図はサイクロトロンの周縁部の周囲の磁界の強さ
を変化を示すもので、磁極片12〜17のうちの２個の位置
が60度と180度に示されている。第７図はサイクロトロ
ンの軸11における3.5Tから、周縁部Ｅにおける3.6Tまで
の、磁界の半径方向の変動を示す。

再び第１図〜第３図を参照すると、ビーム空間10の内
部で回転している粒子ビームに対する高周波励磁が室26
内の高周波数空胴手段である部材30,31を介して行なわ
れる。それらの部材は、軸11を中心として120度の角度
を成して配置された上側の扇延長部32,33,34を含む。そ
れらの扇形延長部はビーム空間10から軸線方向上方へ延
び、軸11から外側へ放射状に延びて、磁極片12〜14の間
に配置される。

第２図に詳しく示されているように、各延長部32〜34
はプリズム形の銅殻39を有する。この銅殻39はそれより
大きい別の銅殻40の中に入れられる。それらの銅殻39,4
0は離隔されて狭い間隙41を形成する。銅殻40はサイク
ロトロンの中心部42において隣りの銅殻に軸線方向に結
合され、全ての延長部32〜34の間隙41は中心部に通じ
る。

第２図に示すように、各延長部は軸11に垂直な横断面
内に、軸11から外方へほぼ放射状に延びた２本のアーム
41a,41bと、円周方向のアーム41cとを有する扇形空洞片
として現われる。

下側の延長部35,36,37は軸11を中心として同様に隔て
られ、かつ中心において互いに同様に結合され、室26の
内部に下側磁極片の間に同様に配置される。各延長部35
〜37は上側の延長部の１つに軸線方向に整列させられ
る。

第３図に最もよく示されているように、各延長部32〜
34は下側の各延長部35〜37と軸線方向に向き合い、向き
合う延長部は軸線方向に隔てられて、ビーム空間10を部
分的に形成する。同様に、磁極片13〜14が下側磁極片15
〜17に軸線方向に向き合い、かつ軸線方向に隔てられて
ビーム空間10を部分的に形成する。

磁極片12〜17の間に共振空胴部材32〜37を円周方向に
介在させることにより、それらの共振空胴が高周波数励
磁を効率良く与えるために必要なだけ軸線方向に延長さ
せることができる。図示の例では、共振空胴部材は必要
な高周波数励磁の波長の４分の１のものができるように
作られる。空胴41のビーム空間10から離れている方の端
部が閉じられて４分の１波長共振器を形成する。

高周波数励磁が同軸ケーブル42〜44を介して、内側殻
39と外側殻40の間の空胴40に供給されて、ビーム空間10
に隣接する空胴の端部の間に正弦波状に振動する大きい
電圧を生じさせる。

上側と下側の延長部の空胴は同相で励振され、図示の
例においてはそれらの空胴には電離粒子の回転周波数の
３倍の周波数の高周波が供給される。

いま、第５図を参照すると、この図には上側と下側の
延長部を通る軸線方向断面図が示されている。ビーム50
は図で左から右へ進み、高周波数励磁が同期させられ
て、各空胴を通る粒子を加速するために必要な極性が与
えられる。

各電離粒子は各空胴を構成している２つの殻を通り、
これらの殻の印加された電圧の位相が同期されてそれら
の粒子へ加速電圧を与えるから、それらの粒子には１回
転当り６回の加速作用電圧が加えられる。各加速作用電
圧は典型的には30KVであって、イオン回転周波数は50MH
zである。すなわち、各軌道はエネルギーを180KVだけ増
加させ、空胴周波数は150MHzである。粒子が所要のエネ
ルギー状態を得たらそれらの粒子はサイクロトロンから
出される。第８図に示すように、負イオンを用いると、
ビーム80のらせん状経路内の適切な点においてそれらの
イオンは薄い炭素箔60に衝突させられる。

この箔60はイオンから負電荷をうばうことによりその
イオンを正イオンにする。したがって、イオンは軸線方
向の磁界により偏向されて外方へ放射状に進むから取出
し管61を通ってサイクロトロンを出る。出力粒子に対し
て求められるエネルギーに応じることができるように、
別の位置に任意の数の箔を設けておいてもよい。このよ
うに、箔の位置を変えることにより、10Me Vと17Me Vの
間で異なる出力を得ることができる。

サイクロトロンの頂部に設けられているイオン源70に
よりイオン流が供給される。このイオン源は負イオン流
を外方へ放射状に放出する。そのイオン流は磁界により
90度曲げられ、この時点で差動真空ポンプにより水素ガ
スの多くが排出される。イオン流からガスを容易に除去
する装置と、ビーム空間を極めて効率よく排気する装置
とによりサイクロトロンの全体の効率が非常に高くな
る。

イオン源70からの負イオン流71は中心軸11に沿って向
けられるように直ちに90度曲げられ、共振空胴部材32〜
34の１番上に設けられている穴72を通ってビーム空間10
の中に入る。

第１図に示すように、イオン流は参照符号79に示すよ
うに再び90度曲げられ、ビーム空間10内での軌道運動を
開始する。

第４図は第３図に示すサイクロトロンに非常に類似す
るサイクロトロンを示す。この例ではイオン発生器がビ
ーム空間10内の位置74にあり、イオン供給器75からイオ
ン流が管73を通って供給される。そのイオン流はイオン
発生器74において管73にあけられている穴から出る。

両方のサイクロトロンにおいては、イオン流はビーム
空間10の中心へ送られる。ビーム空間の中心において、
そのイオン流のらせん経路が始まり、平坦な円板形ビー
ム空間へつづくようになっている。

第３図と第４図に示す実施例おいては、図示のイオン
源により正イオンまたは負イオンを供給できる。正イオ
ンが用いられる時には第８図に示す取出し箔は使用でき
ず、加速されたイオンは第９図に示す構造で取出され
る。

第９図において、イオン流80が外側軌道に達すると、
そのイオン流は変化する磁界75の領域の中に入る。その
磁界はイオン流を僅かに異る軌道80aへ偏向させてイン
流を静電偏向器76の中に入れ、それによりそのイオン流
が別の変化磁界76の中に入ってサイクロトロンを接線方
向に出すようにする。

あるいは、ターゲット（実際は加工物である）をビー
ム空間10内のイオン流の経路内に置いて、イオンがその
ターゲットに直接当るようにすることもできる。

扇形の鉄製磁極片12〜14と15〜17の間の円周方向の空
間内部には強磁性体は全く存在せず、そのために、主磁
界と磁極片との間の相互作用によりひき起される大きな
振幅の方位方向磁界変動を起させることができる。

更に、それらの空間内に高周波数空胴を置くことによ
りそれらの空胴を一層効率の良い形に作ることができる
とともに、従来のものよりもはるかに多数の空胴を設け
ることかできるから、電離粒子のらせん状経路のターン
当りの加速度をより大きくできる。

また、各空胴延長部の内側殻39は中空で、頂部と底部
が開いているために、ビーム空間10と真空ポンプ55の間
に何もない低インピーダンスの軸線方向に延びる経路が
形成される。真空ポンプ55は室26の上端部をふさぐ板56
に取付けられる。室26の下端部は板57によりふさがれ
る。

このように、このサイクロトロンは鉄ヨークなしで構
成できるから、非常に軽量であり、可搬型とすることが
できる。このサイクロトロンは中性子ラジオグラフィお
よび中性子治療に非常に適する。

次に低温維持装置25について説明する。低温維持装置
25の４個の円筒形磁石コイル21,22,23,24が円筒形の枠3
5に取付けられる。

枠35は円筒形の殻36および端板37,38とともに液体ヘ
リウム浴を形成する。この液体ヘリウム浴は、コイル21
〜24が液体ヘリウム内に浸されて超電導体として動作す
るように、液体ヘリウムを注入する注入口39が設けられ
る。

低温維持装置25の中には放射シールド43と、液体窒素
浴44aを含む二重壁容器44も納められる。容器44は低温
維持装置の頂部板45と底部板46からアーム48より支持さ
れ、ヘリウム浴はアーム47から支持される。それら全て
の支持アームは熱の不良導体で作られる。

低温維持装置の内側円筒壁51と外側円筒壁52は、頂点
部板54および底部板55とともに真空室を形成する。この
真空室は熱の侵入に抗するために真空にされる。

低温維持装置は高性能の超電導磁石用の最近の標準的
な構造に従うものであって、液体ヘリウム浴の内部では
コイルは絶対零度近くに保たれ、構造の残りの部分は熱
の侵入を防ぎ、ヘリウムと窒素の補給を最少限に抑える
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のサイクロトロンの縦断面図、第２図は
第１図サイクロトロンのビーム空間を通つて切断した横
断面図、第３図は第１図のサイクロトロンの一部を切欠
いて示す斜視図、第４図は第３図に示すサイクロトロン
に類似する別のサイクロトロンの一部を切欠いて示す斜
視図、第５図は第１図のサイクロトンの共振空胴の展開
図、第６図は磁界の方位方向の変動を示すグラフ、第７
図は磁界の等時性変化を示すグラフ、第８図は出力ビー
ムを示すサイクロトロンの横断面図、第９図は別の出力
ビーム構成を示す第８図に類似の横断面図である。 11……軸、12〜17……軟鉄磁極片（相互作用手段）、26
……室、29……超電導磁石（ヨーク無し磁界発生手
段）、30,31……共振空胴手段、32〜37……扇形部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーティン、フランシス、フィンラン イギリス国バックス、エールズベリー、 ペンバートン、クロース、25

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも１個の円筒形磁石コイルを有す
   る超電導磁石を備え、この磁石コイルはその磁石の軸線
   方向に延びる磁界を生ずるように低温保持装置の内部に
   配置され、その低温保持装置は横断面がほぼ円形である
   軸線方向室を形成し、その軸線方向室の中に前記磁界を
   含むサイクロトロンにおいて、前記超電導磁石（29）は
   前記磁界を発生するヨーク無し磁界発生手段を構成し、
   前記軸線方向室（26）内部に相互作用手段（12〜17）が
   配置され、それらの相互作用手段は前記磁界と相互作用
   して、前記軸（11）に対して方位方向に軸線方向磁界を
   「フラッタ」すなわち変動させ、かつ前記軸（11）から
   半径方向に前記軸線方向磁界を等時的に変動させるよう
   に構成され、前記軸線方向室（26）の内部には電離され
   た粒子のビームを加速する電界を発生する共振空胴手段
   （30,31）が配置され、前記相互作用手段（12〜17）と
   前記共振空胴手段（30,31）は前記軸（11）から半径方
   向に配置されたビーム空間を一緒に形成し、そのビーム
   空間内では前記電離粒子ビームを加速できることを特徴
   とするサイクロトロン。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載のサイクロトロ
   ンにおいて、前記相互作用手段（12〜17）は扇形の強磁
   性体磁極片を備え、前記共振空胴手段（30,31）は前記
   磁極片の間に挿入された扇形部材（32〜37）を備えたこ
   とを特徴とするサイクロトロン。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第２項記載のサイクロトロ
   ンにおいて、共振空胴手段（30,31）は、加速励振を行
   うために効率の高い共振を行わせることができる長さま
   で軸線方向に延びていることを特徴とするサイクロトロ
   ン。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第１項記載のサイクロトロ
   ンにおいて、電離粒子の流れを磁界に沿って前記ビーム
   空間（10）の中に軸線方向に注入する注入手段（70）が
   設けられていることを特徴とするサイクロトロン。
5. 【請求項５】特許請求の範囲第４項記載のサイクロトン
   において、前記注入手段（70）は負イオンの流れを前記
   ビーム空間（10）の内部に注入するように構成された負
   イオン発生器を備え、励振されたイオンを取出すために
   ストリッパー箔（60）が設けられていること特徴とする
   サイクロトロン。
6. 【請求項６】特許請求の範囲第１項記載のサイクロトン
   において、電離粒子の流れを前記ビーム空間（10）の内
   部に直接注入する直接注入手段（74,75）が設けられて
   いることを特徴とするサイクロトロン。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第５項記載のサイクロトロ
   ンにおいて、前記注入手段（70）は正イオン発生器（73
   〜75）を備え、励振されたイオンを取出すために弱くさ
   れた磁界領域（75）が設けられていることを特徴とする
   サイクロトロン。
8. 【請求項８】特許請求の範囲第２項記載のサイクロトロ
   ンにおいて、共振空胴手段（32〜37）は前記ビーム空間
   （10）と真空ポンプ（55）に通じた中空内部空間を有す
   ることを特徴とするサイクロトロン。
9. 【請求項９】特許請求の範囲第２項記載のサイクロトロ
   ンにおいて、強磁性体磁極片（12〜17）の半径方向境界
   はまっすぐな放射線状、またはらせん状、あるいはそれ
   ら両方の形を組合わせた形状であることを特徴とするサ
   イクロトロン。
10. 【請求項１０】特許請求の範囲第２項記載のサイクロト
    ロンにおいて、共振空胴手段（32〜37）の半径方向境界
    はまっすぐな放射線状、またはらせん状、あるいはそれ
    ら両方の形を組合わせた形状であることを特徴とするサ
    イクロトロン。